T. Popoviciu, Asupra preciziei calculului numeric în interpolarea prin polinoame de două variabile, Stud. Cerc. Mat. (Cluj), 11 (1960) fasc. anexă, pp. 159-165 (in Romanian).
Despre acest articol
Journal
Studii şi cercetări matematice
Publisher Name
Academia Republicii S.R.
DOI
https://ictp.acad.ro/scm/journal/article/view/93
Print ISSN
Not available yet.
Online ISSN
Not available yet.
Google Scholar Profile
Referințe
Lucrare in format HTML
1960 g -Popoviciu- Stud. Cerc. Mat. (Cluj) - Asupra preciziei calculului numeric in interpolarea pri
ASUPRA PRECIZIEI CALCULULUI NUMERIC ÎN INTERPOLAREA PRIN POLINOAME DE DOUÁ VARIABILE
DE
TIBERIU POPOVICIUMEMBRU CORESPONDENT AL ACADEMIEI R.P.R,
(Cluj)
Lucrare prezentată la Colocviul de teoria ecuatiilor cu derivate parfiale din 21-2621-26 sept. 1959
Să considerăm (m^(')+1)(n+1)\left(m^{\prime}+1\right)(n+1) puncte (x_(i),y_(j)),i=1,2,dots,m+1\left(x_{i}, y_{j}\right), i=1,2, \ldots, m+1, j=1,2,dots,n+1j=1,2, \ldots, n+1 în plan, formînd o rețea dreptunghiulară de noduri. Pentru fixarea notaţiilor vom presupune că x_(1) < x_(2) < dots < x_(m+1)x_{1}<x_{2}<\ldots<x_{m+1}, y_(1) < y_(2) < dots < y_(n+1)y_{1}<y_{2}<\ldots<y_{n+1}. Permutarea P(r_(1),r_(2),dots,r_(m+1);s_(1),s_(2),dots,s_(n+1))P\left(r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{m+1} ; s_{1}, s_{2}, \ldots, s_{n+1}\right) a rețelei de noduri este definită de o permutare r_(1),r_(2),dots,r_(m+1)r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{m+1} a indicilor 1,2,dots,m+11,2, \ldots, m+1, de o permutare s_(1),s_(2),dots,s_(n+1)s_{1}, s_{2}, \ldots, s_{n+1} a indicilor 1,2,dots dots,n+11,2, \ldots \ldots, n+1 şi de renumerotarea coordonatelor nodurilor rețelei astfel ca să avem x_(i)^(')=x_(r_(i)),i=1,2,dots,m+1,y_(j)^(')=y_(s_(j)),j=1,2,dots,n+1x_{i}^{\prime}=x_{r_{i}}, i=1,2, \ldots, m+1, y_{j}^{\prime}=y_{s_{j}}, j=1,2, \ldots, n+1.
{:(3)D_(1,1)^(i,j)[f]","quad i=0","1","dots","m","j=0","1","dots","n:}\begin{equation*}
D_{1,1}^{i, j}[f], \quad i=0,1, \ldots, m, j=0,1, \ldots, n \tag{3}
\end{equation*}
formează un sistem înlănțuit de d.d.
Dacă fiecare termen al unui sistem înlănțuit de d.d. aparține unui aceluiaşi tablou de d.d., vom zice că sistemul inlănțuit considerat aparține acestui tablou de d.d. In particular, sistemul inlănțuit (3) aparține tabloului (2). Bineînţeles, însă, sistemul înlănțuit (3) aparține în acelaşi timp şi altor tablouri de d.d.
În particular tabloul (2) corespunzător permutării inițiale P(1,2,dots dots,m+1;1,2,dots,n+1P(1,2, \ldots \ldots, m+1 ; 1,2, \ldots, n+1 ) a reţelei de noduri, se va numi tabloul normal de d.d. și orice sistem înlănțuit de d.d. aparținînd acestui tablou se va numi un sistem înlănțuit normal de d.d. În cazul permutării inițiale avem
pentru toate valorile posibile ale lui i,j,v,mui, j, v, \mu.
2. Permutării P(r_(1),r_(2),dots,r_(m+1);s_(1),s_(2),dots,s_(n+1))P\left(r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{m+1} ; s_{1}, s_{2}, \ldots, s_{n+1}\right) a reţelei de noduri, corespunde polinomul de interpolare de două variabile, care sub forma ei generală este [2],
unde 0 <= n_(i) <= n,i=0,1,dots,m0 \leqq n_{i} \leqq n, i=0,1, \ldots, m iar pentru i=0i=0 respectiv j=0j=0 produsul (x-x_(r_(1)))(x-x_(r_(2)))dots(x-x_(r_(i)))\left(x-x_{r_{1}}\right)\left(x-x_{r_{2}}\right) \ldots\left(x-x_{r_{i}}\right) respectiv (y-y_(s_(1)))(y-y_(s_(2)))dots xx xx(y-y_(sj))\left(y-y_{s_{1}}\right)\left(y-y_{s_{2}}\right) \ldots \times \times\left(y-y_{s j}\right) este înlocuit cu 1.
Pe un punct de interpolare dat (x,y)(x, y), determinarea unei valori aproximative pentru f(x,y)f(x, y) cu ajutorul polinomului (4), necesită calculul valorii numerice a acestui polinom. Acest calcul se face prin executarea, exact sau aproximativ, a unei anumite succesiuni de operatii elementare : adunări, scăderi, înmulțiri şi impărţiri. Deoarece operațiile se execută in general aproximativ, va rezulta o eroare de calcul care depinde de precizia cu care s-au executat calculele precum şi, bineînțeles, de ordinea efectuării acestor calcule, adică de programul pe baza căruia ele au fost executate. Nu vom lua în considerare erorile de care sînt eventual afectate datele problemei, deci coordonatele nodurilor și valorile funcţiei f(x,y)f(x, y) pe aceste noduri.
3. Pentru a calcula valoarea numerică a polinomului (4), poate fi utilă şi o modificare a expresiei lui, punînd
Să presupunem că adunările şi scăderile nu comportă erori (ele se efectuează exact sau, în orice caz, cu niște erori care se neglijează). Atunci dacă se calculează suma (7) pe baza schemei
aşa cum se procedează de obicei, croarea provine numai din efectuarea celor alpha+1\alpha+1 inmulțiri successive cuc_(alpha),c_(alpha-1),dots,c_(0)\mathrm{cu} c_{\alpha}, c_{\alpha-1}, \ldots, c_{0} respectiv. Este uşor de văzut că dacă aceste inmulțiri se efectuează cu o eroare absolută, cel mult egală cu epsi\varepsilon, rezultatul aproximativ obținut va avea o eroare absolută <= epsi(1+sum_(i=0)^(alpha-1)|c_(0)c_(1)dotsc_(i)|),(=epsi\leqq \varepsilon\left(1+\sum_{i=0}^{\alpha-1}\left|c_{0} c_{1} \ldots c_{i}\right|\right),(=\varepsilon dacă alpha=0)\alpha=0). In cazurile pe care le vom considera efectiv, înmulțirea prin c_(0)c_{0} nu comportă erori (vom avea totdeauna c_(0)=1c_{0}=1 ). In acest caz eroarea absolută a rezultatului este <= epsisum_(i=0)^(alpha-1)|c_(0)c_(1)dotsc_(i)|,(0\leqq \varepsilon \sum_{i=0}^{\alpha-1}\left|c_{0} c_{1} \ldots c_{i}\right|,(0 dacă alpha=0)\alpha=0).
Să aplicăm această schemă de calcul sumelor (5), (6). Suma (6) este de forma (7), unde punem
Dacă dẹci efectuăm calculele pe baza schemei (8), înmulțirile fiind executate cu o eroare absolută <= epsi\leqq \varepsilon, rezultatul obținut widetilde(A)_(i)\widetilde{A}_{i} este cu o eroare absolută <= epsisum_(j=0)^(i^(-)-1)|Y_(0)Y_(1)dotsY_(j)|,(=0:}\leqq \varepsilon \sum_{j=0}^{i^{-}-1}\left|Y_{0} Y_{1} \ldots Y_{j}\right|,\left(=0\right., dacă {:n_(i)=0)\left.n_{i}=0\right). Rezultă că aproximarea sumei (б),
are o eroare absolută <= epsisum_(i=0)^(m)|X_(0)X_(1)dotsX_(i)|(sum_(j=0)^(n_(i)-1)|Y_(0)Y_(1)dotsY_(j)|)\leqq \varepsilon \sum_{i=0}^{m}\left|X_{0} X_{1} \ldots X_{i}\right|\left(\sum_{j=0}^{n_{i}-1}\left|Y_{0} Y_{1} \ldots Y_{j}\right|\right).
Suma (9) este de asemenea de forma
Dacă deci şi aici efectuăm calculele pe baza schemei (8), înmulțirile fiind executate cu o eroare absolută <= epsi\leqq \varepsilon, valoarea aproximativă obtinută pentiu (9) va avea o eroare absolută cel mult egală cu
epsisum_(i=0)^(m-1)|X_(0)X_(1)dotsX_(i)|(=0," dacă "m=0)\varepsilon \sum_{i=0}^{m-1}\left|X_{0} X_{1} \ldots X_{i}\right|(=0, \text { dacă } m=0)ă
În definitiv deci, făcînd calculele pe baza schemei indicate, obți nem pentru L(x,y)L(x, y) o valoare aproximativă cu o eroare absolută <= epsi M\leqq \varepsilon M, unde M=sum_(i=0)^(m)|X_(0)X_(1)dotsX_(i)|(sum_(j=0)^(n_(i)-1)|Y_(0)Y_(1)dotsY_(j)|)+sum_(i=0)^(m-1)|X_(0)X_(1)dotsX_(i)|M=\sum_{i=0}^{m}\left|X_{0} X_{1} \ldots X_{i}\right|\left(\sum_{j=0}^{n_{i}-1}\left|Y_{0} Y_{1} \ldots Y_{j}\right|\right)+\sum_{i=0}^{m-1}\left|X_{0} X_{1} \ldots X_{i}\right|.
4. Ne putem pune problema de a găsi, pentru punetul de interpolare dat (x,y)(x, y), acea permutare P(r_(1),r_(2),dots,r_(m+1);s_(1),s_(2),dots,s_(n+1))P\left(r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{m+1} ; s_{1}, s_{2}, \ldots, s_{n+1}\right) a retelei de noduri pentru care numarul dat de formula (10) este cel mai mic posibil. Dacă aceasta condiție este indeplinită vom considera că polinomul (4) este cel mai avantajos pentru calculele numerice (facute pe baza schemei indicate).
unde S_(0),S_(1),dots,S_(alpha)S_{0}, S_{1}, \ldots, S_{\alpha} sînt numere pozitive, iar S_(v_(1)),S_(v_(2)),dots,S_(v_(alpha))S_{v_{1}}, S_{v_{2}}, \ldots, S_{v_{\alpha}} este o permutare a unui șir s_(1),s_(2),dots,s_(alpha)s_{1}, s_{2}, \ldots, s_{\alpha} de numere pozitive.
LemA. Suma (12) îşi atinge cea mai mică valoare a sa dacă sirul s_(v_(1)),s_(v_(2)),dots,s_(v_(alpha))s_{v_{1}}, s_{v_{2}}, \ldots, s_{v_{\alpha}} este nedescrescător (cu alte cuvinte pentru o permutare nedescrescătoare a şirului s_(1),s_(2),dots,s_(alpha)s_{1}, s_{2}, \ldots, s_{\alpha} ).
Demonstratia este mediată. Se vede uşor că minimul este atins numai pentru permutările nedescrescătoare ale şirului s_(1),s_(2),dots,s_(alpha)s_{1}, s_{2}, \ldots, s_{\alpha}. Din lema precedentă rezulta atunci următoarea
IEOREMA. Dacă permutarea P(r_(1),r_(2),dots,r_(m+1);s_(1),s_(2),dots,s_(n+1))P\left(r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{m+1} ; s_{1}, s_{2}, \ldots, s_{n+1}\right) este astfel înoît șirurile |x-x_(r_(1))|,|x-x_(r_(2))|,dots,|x-x_(r_(m))|;|y-y_(epsi_(1))|,|y-y_(s_(2))|,dots,|y-y_(s_(n-1))|\left|x-x_{r_{1}}\right|,\left|x-x_{r_{2}}\right|, \ldots,\left|x-x_{r_{m}}\right| ;\left|y-y_{\varepsilon_{1}}\right|,\left|y-y_{s_{2}}\right|, \ldots,\left|y-y_{s_{n-1}}\right|
să fie nedescrescătoare, numărul M îşi atinge cea mai mică valoare a sa.
5. Rezultă din cele ce preced că dacă şirurile
int nedescrescătoare, polinomul (4) este cel mai avantajos pentru calculul unei valori aproximative a lui f(x,y)f(x, y). In acest caz, pe baza unui rezultat anterior [1], permutarea r_(1),r_(2),dots,r_(m+1)r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{m+1} trebuie să fie consecutivă permutării 1,2,dots,m+11,2, \ldots, m+1 iar permutarea s_(1),s_(2),dots,s_(n+1)s_{1}, s_{2}, \ldots, s_{n+1} consecutivà permutări 1,2,dots,n+11,2, \ldots, n+1. Aceasta înseamnă că pentru orice tt, (t=1,2,dots,m+1(t=1,2, \ldots, m+1, respectiv t=1,2,dots,n+1)t=1,2, \ldots, n+1), sirurile r_(1),r_(2),dots,r_(t)r_{1}, r_{2}, \ldots, r_{t} şi s_(1),s_(2),dots,s_(t)s_{1}, s_{2}, \ldots, s_{t} sint formate din cite tt numere naturale consecutive (intr-o anumită ordine).
Cind şirurile (13) sînt nedescrescătoare, si in acest caz polinomul (4) este avantajos pentru calcule in sensul aratat mai sus, sistemul inlanţuit de d.d. corespunzător este un sistem inlăntuit normal. Este deci suficient sa folosim tabloul normal de d.d., pentru a putea construi toate polinoamele (4) avantajoase, după diferitele pozitii ale punctului de interpolare.
Putem, ca și în cazul unei singure variabile [1], să studiem diferit cazuri particulare. Dacă punctul de interpolare este în vecinătatea unui din nodurile extreme (x_(1),y_(1)),(x_(1),y_(n+1)),(x_(n+1),y_(1)),(x_(n+1),y_(n+1))\left(x_{1}, y_{1}\right),\left(x_{1}, y_{n+1}\right),\left(x_{n+1}, y_{1}\right),\left(x_{n+1}, y_{n+1}\right), găsim c cele mai avantajoase polinoamele ordonate după diferențele ascendent si descendente in raport cu x,yx, y, deci acelea pentru care sistemul inlăn tuit (3) corespunde permutărilor P(1,2,dots,m+1;1,2,dots,n+1P(1,2,dots,m+1;n+1,n,dots,1),P(m+1,m,dots,1;1,2,dots,n+1P(m+1,m,dots,1;n+1,n,dots,1)P(1,2, \ldots, m+1 ; 1,2, \ldots, n+1 P(1,2, \ldots, m+1 ; n+1, n, \ldots, 1), P(m+1, m, \ldots, 1 ; 1,2, \ldots, n+1 P(m+1, m, \ldots, 1 ; n+1, n, \ldots, 1). Dacă punctele x_(4)x_{4} si y_(j)y_{j} sîn respectiv echidistante, deci dacă x_(i)=x_(1)+(i-1)h,i=1,2x_{i}=x_{1}+(i-1) h, i=1,2, dots,m+1,y_(j)=y_(1)+(j-1)h^('),j=1,2,dots,n+1,(h,h^(') > 0)\ldots, m+1, y_{j}=y_{1}+(j-1) h^{\prime}, j=1,2, \ldots, n+1,\left(h, h^{\prime}>0\right) şi dac punctul de interpolare este in vecinatatea centrului reţelei de nodu diferențele centrale în raport cu xx și yy.
În încheiere observăm că, în loc de tabloul normal de d.d., puten folosi tabloul format cu numerele k_(0)k_(1)dotsk_(j)l_(0)l_(1)dotsl_(j)D_(v,mu)^(i,j)[f]k_{0} k_{1} \ldots k_{j} l_{0} l_{1} \ldots l_{j} D_{\mathrm{v}, \mu}^{i, j}[f], d.d fiind referitoare la permutarea inițială a rețelei de noduri. Dacă luăn k_(i)=ih,l_(j)=jh^(')k_{i}=i h, l_{j}=j h^{\prime}, pentru orice i,j >= 1i, j \geq 1, numerele considerate se redu la diferențele Delta_(h,h^('))^(i,j)f(x,y)\Delta_{h, h^{\prime}}^{i, j} f(x, y) ale functiei f(x,y)f(x, y). Tabloul normal de d.d se poate atunci înlocui cu tabloul diferențelor, a cărui tormare este deo sebit de simplă deoarece nu necesită decit scăderi succesive.
In sfirşit, considerațiile precedente se pot extinde la cazul a ma mult de două variabile independente.
О ТОЧНОСТИ ЧИСЛОВОГО РАСЧЕТА ПРИ ИНТЕРПОЛИРОВАНИИ МНОГОЧЛЕНАМИ ОТ ДВУХ IIEPEMEHHЫX
PEBIOME
Вычисление значения интерполяционного многочлена (4) при заданных x,yx, y проводится путем вычислений суммы (5), где числа A_(i)A_{i} даны соотношением (6). Здесь числа X_(i),Y_(j),E_(i,j)X_{i}, Y_{j}, E_{i, j} даны в работе и связаны с функцией f(x,y)f(x, y) через разделенные разности ( 3 ), соответствующие перестановке ( x_(r_(i)),y_(s_(j))x_{r_{i}}, y_{s_{j}} ) узлов интерполяции. Суммы (5), (6) имеют вид (7). Вычисление такой суммы проводится при помощи ехемы (8), где только умножения на c_(alpha),c_(alpha-1),dots,c_(0)c_{\alpha}, c_{\alpha-1}, \ldots, c_{0} сопряжены с ошибками, меньшими числа є по абсолютний величине. Тогда наиболее выгодные для вычислений многочлены (4) - это те, для ноторых последовательности (13) являются неубывающими. Тєким образом, мы приходим к теоретическому обоснованию практичесного использования наиболее известных интерполяционных формул, как например, формулы Ньютона, Стирлинга, Бесселя и т.д.
L'TISRECISION DREAS
résume
Le calcul de la valeur du polynôme d'interpolation (4), dans le cas de x,yx, y donnés, se fait en calculant la somme (5) où les nombres A_(i)A_{i} sont donnes par la relation (6). Les nombres X_(i),Y_(j),E_(i.;)X_{i}, Y_{j}, E_{i . ;} sont donnés liff le texte et sont liés à la fonction f(x,y)f(x, y) par l'intermédiaire des cœuds d'intervisees (3) correspondant a une permutation ( x_(r_(i)),y_(s_(i))x_{r_{i}}, y_{s_{i}} ) des 1'une telle sommon. Les sommes (5), (6) sont de la forme (7). Le calcul plications par c se tait au moyen du schéma (8) ou seules tés multivaleur absolue au nombre ^(2){ }^{2} dans ce cas les polynômes (4) les uvantageux pour les calculs sont ceux pour lesquels les suites (13) decrossantes. On arrive ainsi à justifier théoriquement l'emploi celle la pratique des formules d'interpolation bien connues, telles que celles de Newton, Stirling, Bessel, etc.
BIBLIOGRAFIE
Popovicus T., Consideratii teoretice asupra utilizării practice a unor formule de interpolare. Bul. stiint. Acad. R.P.R., Sectiunca de știinte matematice si fizice, III,